Đang tải... (xem toàn văn)
Thông tin địa lý thể hiện trước hết ở dạng bản đồ. Các bản đồ đầu tiên được phác thảo để mô tả vị trí, bản đồ địa hình thể hiện các nét chính về cảnh quan như sông ngòi, đường, làng bản, rừng cây... Chúng thường bao gồm địa hình với các ký hiệu điểm riêng biệt và đường contour. Các bản đồ này thích hợp cho mục đích chung hoặc cho quân đội. Các kiểu bản đồ cung cấp thông tin về từng vấn đề như địa chất, phân vùng lãnh thổ, tỉ lệ thất nghiệp được gọi là các bản đồ chuyên đề.
Bài 1 SỰ HÌNH THÀNH VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGÀNH KHOA HỌC HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Trong bài này giới thiệu về quá trình hình thành ngành khoa học này và những ứng dụng của nó. 1.1. Giới thiệu bản đồ Thông tin địa lý thể hiện trước hết ở dạng bản đồ. Các bản đồ đầu tiên được phác thảo để mô tả vị trí, bản đồ địa hình thể hiện các nét chính về cảnh quan như sông ngòi, đường, làng bản, rừng cây . Chúng thường bao gồm địa hình với các ký hiệu điểm riêng biệt và đường contour. Các bản đồ này thích hợp cho mục đích chung hoặc cho quân đội. Các kiểu bản đồ cung cấp thông tin về từng vấn đề như địa chất, phân vùng lãnh thổ, tỉ lệ thất nghiệp được gọi là các bản đồ chuyên đề. 1.2. Những bất tiện của bản đồ in trên giấy Trong quá trình sử dụng bản đồ giấy, những khuyết điểm được ghi nhận như sau: Bản đồ xây dựng với giá đắt và chi phí nhiều thời gian. Lượng thông tin hạn chế, nếu bản đồ chứa nhiều thông tin thì rất khó đọc. Không thể cập nhật thông tin theo thời gian. Bản đồ chỉ cho các tài liệu định tính, không thể phân tích định lượng các dữ liệu trên bản đồ. Không thể phân tích nhiều tập hợp dữ liệu không gian từ các bản đồ khác nhau (như đất, sườn dốc và lớp phủ thực vật để đánh giá mức độ xâm thực). Hiện nay, nhu cầu các tài liệu sử dụng nhanh, có thể cung cấp thông tin cập nhật và chính xác cho các mục đích đặc biệt. Do vậy, bản đồ truyền thống không còn thuận tiện nữa. 1 1.3. Ra đời HTTTĐL Vào những năm 1960, một số người đã có ý tưởng mô hình hóa không gian lưu trữ vào máy tính, đó là một bản đồ đơn giản có thể mã hóa, lưu trữ trong máy tính, sửa chữa khi cần thiết, có thể hiển thị trên màn hình và in ra giấy. Thời gian đầu, bản đồ điện toán (computer cartography) thể hiện những điểm, các đường thẳng (vector) và chữ (text). Các đồ thị phức tạp có thể được xây dựng từ những yếu tố này. Ví dụ; những đường không theo qui luật như sông, bờ biển sẽ được tạo ra liên tiếp từ các yếu tố vector nhỏ. Các nhà nghiên cứu đã nhận thấy rằng nhiều vấn đề địa lý đòi hỏi thu thập và phân tích một khối lượng lớn thông tin không phải bản đồ. Ví dụ: Điều tra dân số yêu cầu dữ liệu về người, hộ gia đình. Ứng dụng địa chính yêu cầu thông tin về quyền sở hữu đất… Vào lúc này thuật ngữ Bản đồ máy tính được thay thế bởi thuật ngữ HTTTĐL. HTTTĐL đầu tiên xuất hiện vào năm 1964 thuộc dự án “Rehabilitation and Development Agency Program” của chính phủ Canada. Cơ quan “Hệ thống thông tin địa lý Canada-CGIS” đã thiết kế để phân tích, kiểm kê đất nhằm trợ giúp cho chính phủ trong việc sử dụng đất nông nghiệp. Dựán CGIS hoàn thiện vào năm 1971 và phần mềm vẫn sử dụng tới ngày nay. Dự án CGIS gồm nhiều ý tưởng sáng tạo mà đã được phát triển trong những phần mềm sau này. Giữa những năm 60 và 70, HTTTĐL phát triển chủ yếu trong Chính phủ và các phòng thí nghiệm. Năm 1964, Ông Howard Fisher thành lập “Phòng thí nghiệm đồ họa máy tính Harvard” phòng dẫn đầu về các công nghệ mới. Phòng thí nghiệm Harvard đã tạo ra một loạt các ứng dụng chính HTTTĐL bao gồm: SYMAP (Synagraphic Mapping System), CALFORM, SYMVU, GRID, POLYVRT, và ODYSSEY. ODYSSEY là mô hình đầu tiên vector HTTTĐL và nó trở thành chuẩn cho các phần mềm thương phẩm. Hệ thống bản đồ tự động đã được phát triển bởi (CIA) trong cuối những năm 1960s. Dự án này tạo ra “Ngân hàng dữ liệu Thế giới của CIA”, thu thập thông tin đường bờ biển, con sông, ranh giới hành chính và phần mềm trọn gói CAM tạo ra những bản đồ những tỉ lệ khác nhau từ dữ liệu này. Đây là một hệ thống CSDL bản đồ đầu tiên trên Thế giới. 2 Hai công trình có giá trị khác là Hệ thông tin sử dụng đất New york (1967) và hệ thống tin quản lý đất Minnesota (1969). Năm 1969, Jack Dangermond, một người trong nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Harvard trong bộ phận đồ họa máy tính, đồng sáng lập (ESRI) cùng với vợ là Laura. ESRI trong ít năm vượt trội trong thị trường HTTTĐL và tạo ra các sản phẩm phần mềm ArcInfo và ArcView. Hội nghị HTTTĐL đầu tiên vào 1970 tổ chức bởi Roger Tomlinson (CGIS) và Duane Marble (giáo sư tại Northwestern University). Trong những năm 1980s và 1990s, nhiều ứng dụng được phát triển là những gói phần mềm phát triển bởi các công ty tư nhân như: ArcInfo, ArcView, MapInfo, SPANS GIS, PAMAP GIS, INTERGRAPH, và SMALLWORLD. Và rất nhiều ứng dụng đã chuyển từ hệ máy lớn vào sử dụng trong máy tính cá nhân (PC). Ngày nay, HTTTĐL với phần cứng và phần mềm đồ họa hiện đại có sức mạnh trong hiển thị thế giới thực, các kỹ thuật 3D thể hiện cảnh quan, hình ảnh động thể hiện sự thay đổi theo thời gian. 1.4. Những ứng dụng của HTTTĐL Môi trường Trong lĩnh vực môi trường sử dụng HTTTĐL cho nhiều ứng dụng khác nhau từ kiểm kê đơn giản, chất vấn tới phân tích chồng lớp bản đồ, đưa ra quyết định. Các ứng dụng chính bao gồm: Mô hình hóa rừng Mô hình hóa khí/nước Quan trắc môi trường Thành lập bản đồ phân vùng nhạy cảm môi trường Phân tích về mối tương tác giữa sự thay đổi kinh tế, khí hậu, thủy văn địa chất. Phân tích tác động môi trường Chọn vị trí chôn lấp chất thải Giám sát sự thay đổi môi trường theo thời gian Dữ liệu điển hình cho đầu vào những ứng dụng này bao gồm: độ cao địa hình, lớp phủ rừng, chất lượng lớp phủ đất, lớp phủ địa chất-thủy văn. Một số trường hợp ứng dụng HTTTĐL trong nghiên cứu môi trường là sự xem xét cân đối giữa phát triển kinh tế và những những điều kiện về môi trường. 3 Cơ sở hạ tầng và những tiện ích Những kỹ thuật HTTTĐL cũng được áp dụng rộng rãi trong việc thành lập các dự án và quản lý các tiện ích công cộng. Các cơ quan quản lý cơ sở hạ tầng và tiện ích công cộng tìm thấy ởHTTTĐL những công cụ mạnh mẽ để lập dự án, ra quyết định, phục vụ khách hàng, những yêu cầu cần điều chỉnh, và hiển thị máy tính. Những ứng dụng điển hình bao gồm những dịch vụ: Điện lực Khí đốt Nước Thoát nước Truyền thông Đường xá Hiệu quả truyền sóng TV/FM Những phân tích mối nguy hiểm, rủi ro Tình huống nguy kịch và dịch vụ khẩn cấp. Những dữ liệu đầu vào cho những ứng dụng này bao gồm: Mạng đường phố, Dữ liệu địa hình, Dữ liệu về nhân khẩu, Ranh giới hành chính các cấp. Kinh doanh và bán hàng HTTTĐL sử dụng trong kinh doanh và bán hàng hiệu quả nhất trong một số lĩnh vực bao gồm: Vị trí có khả năng cạnh tranh. Cung cấp phân loại những mối nguy. Trợ giúp quản lý rủi ro trong công ty bảo hiểm. Tối ưu tuyến vận chuyển và phân phối. Gán địa chỉ và tìm kiếm vị trí. Những dữ liệu đầu vào trong những ứng dụng này bao gồm: Mạng đường phố. Địa chỉ đường phố. Hồ sơ khách hàng. Những tài liệu kinh tế-xã hội. Bản đồ máy tính Sựphát triển máy tính trợ giúp bản đồ đã phát triển mạnh độc lập với phát triển vector- dựa trên HTTTĐL. Với trợ giúp HTTTĐL, quản lý những mảnh bản đồ theo tờ rất thuận 4 lợi, những kỹ thuật chồng lớp các chuyên đề thông tin bản đồ, những phép chiếu bản đồ vv… giúp cập nhật CSDL địa lý dễ dàng để tạo những bản đồ mới. Thông tin đất HTTTĐL trợ giúp cho quản lý thông tin sử dụng đất vì nó cho phép tạo và duy trì dữ liệu những thửa đất, những dự án đất, tình hình sử dụng. Nhiều nơi những chính quyền địa phương bắt đầu sử dụng HTTTĐL giúp quản lý thông tin đất của họ. HTTTĐL cho phép dễ dàng nhập, thêm, phục hồi dữ liệu như thuế đất, dự án sử dụng đất, mã đất dễ dàng hơn rất nhiều so với thời đại bản đồ giấy. Những ứng dụng tiêu biểu là quản lý thông tin đất là: Quản lý đăng ký đất sở hữa đất Chuẩn bị cho những dự án sử dụng đất và bản đồ phân vùng Bản đồ địa chính. Nguồn vào dữ liệu bao gồm: Bản đồ quản lý ranh giới hành chính. Giao thông. Lớp phủ đất. Các ngành liên quan HTTTĐL là kết quả hội tụ kỹ thuật hiện đại của nhiều ngành: Địa lý Quan tâm đến hiểu biết thếgiới và nơi loài người sinh sống. Các nhà địa lý có truyền thống làm việc lâu dài với các dữ liệu không gian và nhiều kỹ thuật được chuyển sang HTTTĐL. Giao thông Quản lý mạng giao thông. Duy trì tín hiệu đèn giao thông. Phân tích điểm tai nạn, tìm các điểm nguy hiểm. Tuyến giao thông du lịch. Quản lý hệ thống ô tô, tìm vị trí, tuyến. Lâm nghiệp Theo dõi thông tin những cây gỗ phát triển. Có thể lập dự án khai thác rừng. 5 Làm sao cung cấp những dinh dưỡng cần thiết cho cây, duy trì bảo vệ tài nguyên rừng trong tương lai. Lập kế hoạch thiết lập đường vận chuyển, phương pháp khai thác, di chuyển gỗ theo luật môi trường. Quản lý rừng theo nhiều mục đích, bao gồm cả việc tái tạo lại. Nông nghiệp – Trang trại Tăng cường sử dụng các bản đồ chi tiết và những ảnh theo dõi mùa màng. Phân tích sản lượng. Có kế hoạch áp dụng hóa chất bảo vệ thực vật, hợp chất hóa học. Những kỹ thuật dự báo nông nghiệp. Những tiện ích Bao gồm khí, điện thoại, điện tử, nước, truyền hình cáp. Bản đồ học Hiển thị các thông tin không gian dưới dạng các loại bản đồ. Bản đồ đang tồn tại là nguồn dữ liệu quan trọng cho hệ thống bản đồ điện toán. Viễn thám Có nghĩa là thu nhận thông tin từ tàu vũ trụ và vệ tinh. Theo truyền thống, các thông tin này gồm ảnh hàng không, hiện nay đó là các thông tin ảnh số thu nhận từ vệ tinh. Trắc lượng ảnh Sử dụng ảnh hàng không và kỹ thuật chiết xuất thông tin từ các ảnh này. Trước đây, trắc lượng ảnh sử dụng các nguồn dữ liệu địa hình (độ cao, đặc điểm nhìn thấy được như đường xá và mạng sông suối, sử dụng đất và lớp phủ đất…). Khảo sát, cung cấp dữ liệu chính xác cao về vị trí ranh giới đất, công trình xây dựng, đặc điểm tự nhiên… Số liệu quan sát tạo ra tại một điểm có rất nhiều nguồn dữ liệu cho HTTTĐL: bản đồ, biểu đồ khảo sát, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, bản câu hỏi, dữ liệu định vị toàn cầu. Thống kê Cung cấp nhiều phương pháp để xây dựng mô hình điện toán hoặc để phân tích dữ liệu. Kỹthuật tối ưu hóa (nhưtìm đường ngắn nhất) là trọng tâm trong ứng dụng HTTTĐL. 6 Toán học Cung cấp rất nhiều phương pháp, nhất là trắc địa và lý thuyết đồ họa. Khoa học máy tính Cung cấp nhiều phương pháp và công cụ phần mềm mà các nhà phân tích HTTTĐL có thể lựa chọn để giải quyết các vấn đề riêng biệt. Một số nhánh khoa học máy tính có thể khai thác gồm: Trợ giúp thiết kế: cung cấp phần mềm dùng trong HTTTĐL các kỹ thuật nhập dữ liệu, trình bày, hiển thị. Đồ họa máy tính: cung cấp phần cứng và phần mềm để thể hiện các đối tượng đồ thị. Hệ thống quản trị CSDL (DBMS), hệ thống phần mềm để quản trị các bộ cơ sở dữ liệu lớn trong HTTTĐL như các ứng dụng về địa chính và điều tra dân số. Trí tuệ nhân tạo: cung cấp nhiều kỹ thuật để trợ giúp ra quyết định. Hành chính Cơ sở dữ liệu về dân số và các bản đồ kết hợp. Cơ sở dữ liệu địa chính và các bản đồ kết hợp. Địa lý nhân khẩu học. 7 Bài 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ Trong bài này sẽ giới thiệu các thành phần của HTTTĐL bao gồm phần cứng, phần mềm, con người, dữ liệu và các phương pháp. Các hợp phần này tạo nên 3 hệ thống con của HTTTĐL đó là: Hệ thống nhập dữ liệu. Hệ thống quản trị dữ liệu. Hệ thống xuất dữ liệu. Hình 3.1 Các thành phần cơ bản của HTTTĐL 8 2.1. Hệ thống thông tin và hệ thống thông tin địa lý (HTTTĐL) 2.1. 1. Hệ thống vận hành HTTTĐL Gồm3 hệ thống con (Hình 3.3) Hình 3.2 Hệ thống vận hành hệ HTTTĐL Hình 3.3 Hệ thống vận hành hệ HTTTĐL Hệ thống đầu vào cho phép thu thập dữ liệu sử dụng cho phân tích theo mục đích. Hệ thống phần mềm, phần cứng để lưu trữ, quản lý và phân tích dữ liệu hiển thị những thao tác trên màn hình máy tính. Hệ thống đầu ra tạo ra các bản in (bản đồ, hình ảnh) và những kiểu kết quả khác. 9 Hệ thống của phần mềm HTTTĐL điển hình Hình 3.4: các thành phần của một phần mềm HTTTĐL điển hình. Hệ thống số hóa bản đồ Hệ thống số hóa bản đồ sử dụng chuyển bản đồ giấy sang dạng bản đồ số để xây dựng CSDL. Một trong các phương pháp số hóa thông thường là dùng bàn số để nhập dữ liệu vector. Phương pháp thứ hai là sử dụng thiết bị scanner để quét bản đồ sau đó dùng các chức năng số hóa của phần mềm HTTTĐL chuyển raster sang vector. Hệ thống thểhiện bản đồ Hệ thống này cho phép thể hiện bản đồ trên màn hình máy tính, in bản đồ bằng máy in, máy vẽ. Các sản phẩm bản đồ trong các phần mềm HTTTĐL là rất lớn. HTTTĐL cung cấp các loại bản đồ với chất lượng cao, cho phép trình bày các thành phần bản đồ linh động và tương tác cao trên màn hình, bao gồm các chi tiết kỹ thuật của nhiều lớp dữ liệu phức tạp như chú giải, thước tỷ lệ, bản đồ nhiều màu sắc và những ký hiệu. Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu 10 [...]... vật lý CSDL Cấu trúc hay dạng của dữ liệu trong HTTTĐL, như ARC/INFO™, Intergraph™, System 9™, MapInfo™ vv thực sự được xác định trong từng phần mềm Có thể thấy rằng thiết kế vật lý những thực thể không gian hoàn toàn xác định bởi các phần mềm và người thiết kế HTTTĐL không cần làm bất kỳ gì thêm Những thuộc tính những thực thể được khống chế trong hệ thống quản lý mối quan hệ liên kết trong HTTTĐL Trong. .. 4.9 mô tả mối quan hệ một vài thực thể trong lớp thủy văn Hình 4.9 Ví dụ minh họa bản đồ hóa E-R và thuộc tính trong MapInfo Trong hình 4.10 đối tượng sông chính, sông phụ (nhánh) trong cùng một lớp dữ liệu như những đối tượng đường, mối quan hệ dữ liệu sẽ tạo ra do phần mềm MapInfo Mỗi thực thể thể hiện trong sơ đồ E-R được chuyển đổi tới lớp dữ liệu HTTTĐL trong đó gồm cả đối tượng không gian và... trong mô hình E-R thành thiết kế vật lý CSDL cho một thực thể đơn trong hình 4.8 Hình 4.8 Ví dụ minh họa bản đồ hóa E-R và thuộc tính trong MapInfo Mỗi thực thể trong biểu đồ E-R sẽ biểu diễn trong một lớp dữ liệu (table trong phần mềm MapInfo) Thông thường không chỉ một thực thể đơn được chuyển thành một lớp dữ liệu mà nhiều thực thể trong một lớp dữ liệu và chúng có mối quan hệ với nhau Do vậy có... ORACLE, DB2, SQL Server luôn cung cấp dịch vụ để bất kỳ hệ thống nào cũng có thể truy nhập và đọc dữ liệu trong phạm vi quyền sử dụng của mình Quan hệ trong cơ sở dữ liệu 33 Trong CSDL HTTTĐL, cần định nghĩa ngắn gọn và súc tích, mô hình dữ liệu mô tả mối quan hệ giữa những thực thể Ví dụ: Trong Lâm nghiệp 1 Mối quan hệ giữa loại rừng và Tỉnh là "thuộc vị trí" 2 Loại rừng-Thuộc vị trí-Tỉnh A Những mối... nghĩa chính xác hơn trong CSDL HTTTĐL Mô hình hóa khái niệm-định nghĩa rộng và tổng quát phạm vi và yêu cầu của CSDL Mô hình hóa Logic – xác định yêu cầu người sử dụng của CSDL với những định nghĩa rõ ràng những thuộc tính và những mối quan hệ Mô hình hóa vật lý – xác định cấu trúc lưu trữ bên trong và tổ chức các file dữ liệu trong CSDL MHHDL liên quan tới 3 mức mô hình dữ liệu trong thiết kế CSDL:... gian và mối liên hệ Hơn nữa, mối liên hệ biểu diễn trong CSDL (hình lục giác đơn) cần chuyển đổi thành mã nguyên thủy và mã thứ sinh trong bảng dữ liệu của những thực thể biểu diễn Trong hình 4.11 thực thể “XÔ có “CHỨA” thực thể“KHOẢNH RỪNG”, trong bảng dữ liệu thuộc tính của mỗi lớp dữ liệu có chứa mã nguyên thủy cho mỗi đối tượng (Xà ID#) Nhưng trong dữ liệu khoảnh rừng ngoài mã “KHOẢNH RỪNG ID#”... của thực thể khác Trong quá trình xây dựng biểu đồ E-R sẽ xuất hiện bất hợp lý trong định nghĩa những thực thể, những mối quan hệ và những thuộc tính Kết quả biểu đồ E-R nên loại bỏ những bất hợp lý, khi có một biểu đồ rõ ràng có thể trực tiếp chuyển thành những giản đồ thiết kế logic và vật lý 29 3.6.3 Mô hình hóa dữ liệu logic Trong mức thiết kếnày, CSDL được đặc tả chi tiết, bao gồm các hạng mục tin,... chuyển giao vv 2.3 Cấu trúc dữ liệu trong gis Dữ liệu của một hệ thống thông tin địa lý có thể chia thành hai dạng: -Hình ảnh (không gian) -Phi hình ảnh (thuộc tính) 2.3.1 Dữ liệu không gian Số liệu hình ảnh hay còn gọi là dữ liệu không gian (graphic) là sự mô tả bằng kỹ thuật số các phần tử bản đồ GIS sử dụng dữ liệu hình ảnh để thể hiện bản đồ ra màn hình hay ra giấy Trong máy tính, dữ liệu không gian... Thiết kế khái niệm CSDL là hoạt động quan trọng nhất trong phát triển HTTTĐL Chuẩn bị mô hình dữ liệu HTTTĐL Mô hình dữ liệu là hình thức xác định yêu cầu dữ liệu trong HTTTĐL Mô hình dữ liệu có thể trong một vài dạng: Biểu đồ Thực thể-mối quan hệ Mục đích của mô hình dữ liệu và quá trình xác định mô hình là đảm bảo rằng dữ liệu được nhận dạng và mô tả trong tính toàn vẹn chính xác và kiểu cách hình thức... các dữ liệu xác định Khả năng phân tích của hệ thống phân tích địa lý và HTQTCSDL giữ vai trò quan trọng trong việc mở rộng CSDL thông qua việc bổ sung các tri thức về mối quan hệ giữa các yếu tố Hệ thống xử lý ảnh Một số phần mềm HTTTĐL còn có khả năng phân tích ảnh viễn thám và cung cấp các phân tích thống kê chuyên hóa Phần mềm xử lý ảnh cho phép lấy ảnh viễn thám dạng thô và chuyển sang dạng dữ . tin địa lý Canada-CGIS” đã thiết kế để phân tích, kiểm kê đất nhằm trợ giúp cho chính phủ trong việc sử dụng đất nông nghiệp. Dựán CGIS hoàn thiện vào. nay. Dự án CGIS gồm nhiều ý tưởng sáng tạo mà đã được phát triển trong những phần mềm sau này. Giữa những năm 60 và 70, HTTTĐL phát triển chủ yếu trong Chính